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Tormentanan di stòf ta forma un menasa serio pa hopi pais rònt mundu debí na nan impakto destruktivo riba agrikultura, salú di hende, retnan di transporte i infrastruktura. Komo resultado, eroshon di bientu ta wòrdu konsiderá un problema mundial. Un di e enfokenan amigabel pa medio ambiente pa frena eroshon di bientu ta e uso di presipitashon di karbonato indusí pa mikrobio (MICP). Sinembargo, e subproduktonan di MICP basá riba degradashon di urea, manera amoniako, no ta ideal ora nan ta wòrdu produsí den kantidatnan grandi. E estudio aki ta presentá dos formulashon di bakteria di formato di kalsio pa e degradashon di MICP sin produsí urea i ta kompará nan rendimentu ampliamente ku dos formulashon di bakteria di asetato di kalsio ku no ta produsí amonia. E bakteria konsiderá ta Bacillus subtilis i Bacillus amyloliquefaciens. Promé, e balornan optimalisá di e faktornan ku ta kontrolá formashon di CaCO3 a wòrdu determiná. Despues a kondusí tèstnan di tùnel di bientu riba muestranan di duna di santu tratá ku e formulashonnan optimalisá, i a midi resistensia di eroshon di bientu, velosidat di drempel di stripping, i resistensia di bombardeo di santu. Alomorfonan di karbonato di kalsio (CaCO3) a wòrdu evaluá usando mikroskopia optiko, mikroskopia di elektrón di skan (SEM), i analisis di difrakshon di rayo X. Formulashonnan basá riba formato di kalsio a funshoná signifikantemente mihó ku formulashonnan basá riba asetat pa loke ta trata formashon di karbonato di kalsio. Ademas, B. subtilis a produsí mas karbonato di kalsio ku B. amyloliquefaciens. Mikrografianan di SEM a mustra klaramente e unimentu i impreshon di bakteria aktivo i inaktivo riba karbonato di kalsio kousa pa sedimentashon. Tur formulashon a redusí eroshon di bientu signifikantemente.
Eroshon di bientu pa hopi tempu a wòrdu rekonosé komo un problema grandi ku ta konfrontá regionnan seku i semi-sekundo manera e parti sùitwèst di Merka, wèst di China, Afrika Saharano, i gran parti di Medio Oriente1. Awaseru abou den klimanan seku i hiper-sekundo a transformá partinan grandi di e regionnan aki den desierto, duna di santu i terenonan no kultivá. Eroshon di bientu kontinuo ta forma menasanan ambiental pa infrastruktura manera retnan di transporte, tereno agrikultural i tereno industrial, loke ta kondusí na kondishonnan di bida malu i gastunan haltu di desaroyo urbano den e regionnan aki2,3,4. Importantemente, eroshon di bientu no solamente ta impaktá e lugá kaminda e ta sosodé, pero tambe ta kousa problemanan di salú i ekonómiko den komunidatnan remoto ya ku e ta transportá partikulonan pa medio di bientu pa áreanan leu for di e fuente5,6.
Kontrol di eroshon di bientu ta keda un problema mundial. Varios método di stabilisashon di tera ta wòrdu usá pa kontrolá eroshon di bientu. E métodonan aki ta inkluí materialnan manera aplikashon di awa7, mulch di zeta8, biopolímeronan5, presipitashon di karbonato indusí pa mikrobio (MICP)9,10,11,12 i presipitashon di karbonato indusí pa enzima (EICP)1. Muhamentu di tera ta un método standart di supreshon di stòf den kunuku. Sinembargo, su evaporashon rápido ta hasi e método aki di efektividat limitá den regionnan seku i semi-sekundo1. E aplikashon di komponentenan di mulching di zeta ta oumentá koheshon di santu i frikshon entre partikulonan. Nan propiedat kohesivo ta mara grano di santu huntu; sinembargo, mulchnan di zeta tambe ta trese otro problemanan; nan koló skur ta oumentá e absorshon di kalor i ta kondusí na morto di mata i mikroorganismo. Nan holó i huma por kousa problemanan respiratorio, i mas notabelmente, nan kosto haltu ta un otro opstákulo. Biopolímeronan ta un di e métodonan eko-amikal ku a wòrdu proponé resientemente pa mitigá eroshon di bientu; nan ta wòrdu saka for di fuentenan natural manera mata, bestia i bakteria. Goma di xantano, goma di guar, chitosan i goma di gellan ta e biopolímeronan mas komunmente usá den aplikashonnan di ingenieria5. Sinembargo, biopolímeronan solubel den awa por pèrdè forsa i sali for di tera ora nan ta wòrdu eksponé na awa13,14. EICP a demostrá di ta un método di supreshon di stòf efektivo pa un variedat di aplikashon inkluyendo kamindanan no asfaltá, vijvernan di residuo i sitionan di konstrukshon. Aunke su resultadonan ta alentador, mester konsiderá algun desbentaha potensial, manera kosto i e falta di sitionan di nukleashon (ku ta aselerá e formashon i presipitashon di kristalnan di CaCO315,16).
MICP a wòrdu deskribí pa promé biaha na fin di siglo 19 pa Murray i Irwin (1890) i Steinmann (1901) den nan estudio di degradashon di urea dor di mikroorganismonan marino17. MICP ta un proseso biológiko ku ta okuri naturalmente ku ta enserá un variedat di aktividatnan mikrobial i prosesonan kímiko den kua karbonato di kalsio ta wòrdu presipitá dor di e reakshon di ionnan di karbonato for di metabolitonan mikrobial ku ionnan di kalsio den e medio ambiente18,19. MICP ku ta enserá e siklo di nitrogeno ku ta degradá urea (MICP ku ta degradá urea) ta e tipo di presipitashon di karbonato indusí pa mikrobio mas komun, den kua ureasa produsí pa bakteria ta katalisá e hidrolisis di urea20,21,22,23,24,25,26,27 di e siguiente manera:
Den MICP ku ta enserá e siklo di karbon di oksidashon di salu orgániko (MICP sin tipo di degradashon di urea), bakteria heterotrófiko ta usa salu orgániko manera asetat, laktat, sitrato, suksinat, oksalat, malat i glioksilat komo fuentenan di energia pa produsí mineralnan di karbonato28. Den presensia di laktat di kalsio komo un fuente di karbon i ionnan di kalsio, e reakshon kímiko di formashon di karbonato di kalsio ta wòrdu mustra den ekuashon (5).
Den e proseso MICP, sèlnan bakterial ta proveé ​​sitionan di nukleashon ku ta partikularmente importante pa e presipitashon di karbonato di kalsio; e superfisie di e sèl di bakteria ta kargá negativamente i por fungi komo un adsorbente pa kationnan divalente manera ionnan di kalsio. Dor di adsorbé ionnan di kalsio riba celnan bakterial, ora e konsentrashon di ionnan di karbonato ta sufisiente, kationnan di kalsio i anionnan di karbonato ta reakshoná i karbonato di kalsio ta presipitá riba e superfisie di bakteria29,30. E proseso por wòrdu resumí di e siguiente manera31,32:
Kristalnan di karbonato di kalsio biogenerá por wòrdu dividí den tres tipo: kalsita, vaterita i aragonita. Entre nan, kalsita i vaterita ta e alomorfonan di karbonato di kalsio indusí pa bakteria mas komun33,34. Kalsita ta e alomorfo35 di karbonato di kalsio mas termodinamikamente stabil. Aunke a wòrdu raportá ku vaterita ta metastabil, e ta transformá eventualmente den kalsita36,37. Vaterite ta esun mas denso di e kristalnan aki. E ta un kristal heksagonal ku tin mihó abilidat di yena poro ku otro kristalnan di karbonato di kalsio debí na su tamaño mas grandi38. Tantu MICP degradá pa urea komo no degradá pa urea por kondusí na presipitashon di vaterite13,39,40,41.
Aunke MICP a mustra un potensial prometedor den stabilisá suela problemátiko i suela suseptibel na eroshon di bientu42,43,44,45,46,47,48, un di e subproduktonan di hidrolisis di urea ta amonia, ku por kousa problemanan di salú leve te severo dependiendo di e nivel di eksposishon49. E efekto sekundario aki ta hasi e uso di e teknologia partikular aki kontroversial, spesialmente ora áreanan grandi mester wòrdu tratá, manera pa supreshon di stòf. Ademas, e holó di amoniako ta intolerabel ora e proseso ta wòrdu hibá afó na tarifanan haltu di aplikashon i volúmennan grandi, loke por afektá su aplikabilidat práktiko. Aunke estudionan resien a mustra ku ionnan di amonio por wòrdu redusí dor di kombertí nan den otro produktonan manera struvita, e métodonan aki no ta kita ionnan di amonio kompletamente50. P’esei, ainda tin mester di eksplorá solushonnan alternativo ku no ta generá ionnan di amonio. E uso di trayektonan di degradashon no-urea pa MICP por proveé ​​un solushon potensial ku a wòrdu mal eksplorá den e konteksto di mitigashon di eroshon di bientu. Fattahi et al. a investigá degradashon di MICP sin urea usando asetato di kalsio i Bacillus megaterium41, miéntras ku Mohebbi et al. a usa asetato di kalsio i Bacillus amyloliquefaciens9. Sinembargo, nan estudio no a wòrdu kompará ku otro fuentenan di kalsio i bakteria heterotrófiko ku por a mehorá resistensia na eroshon di bientu na final. Tambe tin un falta di literatura ku ta kompará trayektonan di degradashon sin urea ku trayektonan di degradashon di urea den mitigashon di eroshon di bientu.
Ademas, mayoria di estudionan di eroshon di bientu i kontrol di stòf a wòrdu kondusí riba muestranan di tera ku superfisie plat.1,51,52,53 Sinembargo, superfisie plat ta ménos komun den naturalesa ku serunan i depreshonnan. Esaki ta e motibu pakiko duna di santu ta e karakterístika di paisahe mas komun den regionnan di desierto.
Pa superá e defisiensianan ariba menshoná, e estudio aki tabatin komo meta pa introdusí un sèt nobo di agentenan bakterial ku no ta produsí amonia. Pa e propósito aki, nos a konsiderá trayektonan di MICP ku no ta degradá urea. E efisiensia di dos fuente di kalsio (formato di kalsio i asetato di kalsio) a wòrdu investigá. Pa loke e outornan sa, presipitashon di karbonato usando dos kombinashon di fuente di kalsio i bakteria (p.e. formato di kalsio-Bacillus subtilis i formato di kalsio-Bacillus amyloliquefaciens) no a wòrdu investigá den estudionan anterior. E eskoho di e bakterianan aki tabata basá riba e enzimanan ku nan ta produsí ku ta katalisá e oksidashon di formato di kalsio i asetato di kalsio pa forma presipitashon di karbonato mikrobial. Nos a diseñá un estudio eksperimental profundo pa haña e faktornan optimal manera pH, tipo di bakteria i fuentenan di kalsio i nan konsentrashonnan, e proporshon di bakteria pa solushon di fuente di kalsio i tempu di kura. Finalmente, e efektividat di e sèt di agentenan bakterial aki den suprimí eroshon di bientu a traves di presipitashon di karbonato di kalsio a wòrdu investigá dor di kondusí un seri di tèstnan di tùnel di bientu riba duinnan di santu pa determiná e magnitut di eroshon di bientu, velosidat di kibramentu di drempel i resistensia di bombardeo di bientu di e santu, i midimentunan di penetrometer i estudionan di mikrostruktura (X-RD) i analisis di dirakshon di rayo X (XRD) mikroskopia di elektrón (SEM)) tambe a wòrdu realisá.
Produkshon di karbonato di kalsio ta rekerí ionnan di kalsio i ionnan di karbonato. Ionnan di kalsio por wòrdu optené for di vários fuente di kalsio manera kloruro di kalsio, hidróksido di kalsio, i lechi di pulver54,55. Ionnan di karbonato por wòrdu produsí dor di vários método mikrobial manera hidrolisis di urea i oksidashon aeróbiko òf anaeróbiko di materia orgániko56. Den e estudio aki, ionnan di karbonato a wòrdu optené for di e reakshon di oksidashon di formato i asetat. Ademas, nos a usa salu di kalsio di formato i asetato pa produsí karbonato di kalsio puru, pues solamente CO2 i H2O a wòrdu optené komo subprodukto. Den e proseso aki, solamente un supstansia ta sirbi komo un fuente di kalsio i un fuente di karbonato, i no ta produsí amonia. E karakterístikanan aki ta hasi e fuente di kalsio i e método di produkshon di karbonato ku nos a konsiderá hopi prometedor.
E reakshonnan korespondiente di formato di kalsio i asetato di kalsio pa forma karbonato di kalsio ta wòrdu mustra den fórmulanan (7)-(14). Fórmulanan (7)-(11) ta mustra ku formato di kalsio ta disolvé den awa pa forma asido fórmiko òf formato. E solushon ta pues un fuente di ionnan liber di kalsio i hidróksido (fórmula 8 i 9). Komo resultado di e oksidashon di asido fórmiko, e atòmnan di karbon den asido fórmiko ta wòrdu kombertí den dióksido di karbon (fórmula 10). Karbonato di kalsio ta wòrdu formá finalmente (fórmula 11 i 12).
Di mes manera, karbonato di kalsio ta wòrdu formá for di asetato di kalsio (ekuashonnan 13–15), ku eksepshon ku ta forma asido acético òf asetato en bes di asido fórmiko.
Sin e presensia di enzima, asetato i formato no por wòrdu oxidá na temperatura di kamber. FDH (formato dehidrogenasa) i CoA (koenzima A) ta katalisá e oksidashon di formato i asetato pa forma dióksido di karbon, respektivamente (Eqs. 16, 17) 57, 58, 59. Varios bakteria ta kapas pa produsí e enzimanan aki, i heterotrófiko, esta bakteria di subtilis di Batilis (PT Tipo #14) Kolekshon di Kultura), tambe konosí komo NCIMB #13061 (Kolekshon Internashonal di Bakteria, Ist, Fago, Plasmido, Simia di Mata i Kultura di Tehido di Sèl di Mata)) i Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077), a wòrdu usá den e estudio aki. E bakterianan aki a wòrdu kultivá den un medio ku ta kontené peptona di karni (5 g/L) i ekstrakto di karni (3 g/L), yamá brou di nutriente (NBR) (105443 Merck).
Pues, kuater formulashon a wòrdu prepará pa indusí presipitashon di karbonato di kalsio usando dos fuente di kalsio i dos bakteria: formato di kalsio i Bacillus subtilis (FS), formato di kalsio i Bacillus amyloliquefaciens (FA), asetato di kalsio i Bacillus subtilis (AS), i asetato di kalsio i Bacillus subtilis (AAA).
Den e promé parti di e diseño eksperimental, a kondusí tèstnan pa determiná e kombinashon optimal ku lo logra produkshon máksimo di karbonato di kalsio. Komo ku e muestranan di tera tabata kontené karbonato di kalsio, un sèt di tèstnan di evaluashon preliminar a wòrdu diseñá pa midi ku eksaktitut e CaCO3 produsí pa e diferente kombinashonnan, i meskla di medio di kultura i solushonnan di fuente di kalsio a wòrdu evaluá. Pa kada kombinashon di fuente di kalsio i solushon di bakteria definí ariba (FS, FA, AS, i AA), faktornan di optimalisashon (konsentrashon di fuente di kalsio, tempu di kura, konsentrashon di solushon di bakteria midi pa densidat optiko di e solushon (OD), fuente di kalsio pa solushon di bakteria, i pH) a wòrdu derivá i usá den e tèstnan di bientu di tratamentu di duna di santu deskribí den e siguiente sekshonnan.
Pa kada kombinashon, 150 eksperimento a wòrdu kondusí pa studia e efekto di presipitashon di CaCO3 i evaluá vários faktor, esta konsentrashon di fuente di kalsio, tempu di kura, balor di OD bakterial, relashon di fuente di kalsio pa solushon bakterial i pH durante oksidashon aeróbiko di materia orgániko (Tabela 1). E rango di pH pa e proseso optimalisá a wòrdu selektá a base di e kurvanan di kresementu di Bacillus subtilis i Bacillus amyloliquefaciens pa asina optené kresementu mas lihé. Esaki ta wòrdu splika mas detayá den e sekshon di Resultadonan.
E siguiente pasonan a wòrdu usá pa prepará e muestranan pa e fase di optimalisashon. E solushon di MICP a wòrdu prepará promé dor di ahusta e pH inisial di e medio di kultura i despues a wòrdu outoklave na 121 °C pa 15 min. E strain despues a wòrdu inokulá den un fluho di aire laminar i mantené den un inkubadó ku ta sagudí na 30 °C i 180 rpm. Unabes ku e OD di e bakteria a alkansá e nivel deseá, el a wòrdu mesklá ku e solushon di fuente di kalsio den e proporshon deseá (Figura 1a). E solushon MICP a wòrdu permití pa reakshoná i solidifiká den un inkubadó ku ta sagudí na 220 rpm i 30 °C pa un tempu ku a alkansá e balor di meta. E CaCO3 presipitá a wòrdu separá despues di sentrifugashon na 6000 g pa 5 min i despues a wòrdu seku na 40 °C pa prepará e muestranan pa e tèst di kalsimeter (Figura 1b). Despues a midi e presipitashon di CaCO3 usando un kalsimeter di Bernard, kaminda e polvo di CaCO3 ta reakshoná ku 1.0 N HCl (ASTM-D4373-02) pa produsí CO2, i e volúmen di e gas aki ta un midimentu di e kontenido di CaCO3 (Figura 1c). Pa kombertí e volúmen di CO2 den kontenido di CaCO3, un kurva di kalibrashon a wòrdu generá dor di laba polvo di CaCO3 puru ku 1 N HCl i traha esaki kontra e CO2 evolushoná. E morfologia i puresa di e polvo di CaCO3 presipitá a wòrdu investigá usando imágen di SEM i analisis di XRD. Un mikroskop optiko ku un magnifikashon di 1000 a wòrdu usá pa studia e formashon di karbonato di kalsio rònt di e bakteria, e fase di e karbonato di kalsio formá, i e aktividat di e bakteria.
E Dejegh Basin ta un region konosí altamente eroshoná den e provinsia di Fars zuidwest di Iran, i e investigadónan a rekohé muestranan di tera eroshoná pa bientu for di e área. E muestranan a wòrdu tumá for di e superfisie di tera pa e estudio. Pruebanan di indikadó riba e muestranan di tera a mustra ku e tera tabata tera di santu mal sorteá ku lodo i a wòrdu klasifiká komo SP-SM segun e Sistema di Klasifikashon di Suela Unifiká (USC) (Figura 2a). Análisis di XRD a mustra ku e suela di Dejegh tabata prinsipalmente komponé di kalsita i kuarts (Figura 2b). Ademas, e analisis di EDX a mustra ku otro elementonan manera Al, K, i Fe tambe tabata presente den proporshonnan mas chikitu.
Pa prepará e dunanan di laboratorio pa prueba di eroshon di bientu, e suela a wòrdu aplastá for di un haltura di 170 mm a traves di un embudo di 10 mm di diameter te na un superfisie firme, resultando den un duna típiko di 60 mm di haltura i 210 mm di diameter. Den naturalesa, e duinen di santu di densidat mas abou ta wòrdu formá dor di prosesonan eólico. Di mes manera, e muestra prepará usando e prosedura ariba menshoná tabatin e densidat relativo mas abou, γ = 14.14 kN/m3, formando un kono di santu depositá riba un superfisie horizontal ku un ángulo di sosiegu di aproksimadamente 29.7°.
E solushon optimal di MICP optené den e sekshon anterior a wòrdu spuit riba e slope di e duna na tarifanan di aplikashon di 1, 2 i 3 lm-2 i despues e muestranan a wòrdu wardá den un inkubadó na 30 °C (Fig. 3) pa 9 dia (es desir e tempu optimal di kura) i despues a wòrdu saka pa tèst di tùnel di bientu.
Pa kada tratamentu, kuater ehemplar a wòrdu prepará, un pa midi kontenido di karbonato di kalsio i forsa di superfisie usando un penetrometer, i e tres ehemplarnan ku a sobra a wòrdu usá pa tèstnan di eroshon na tres diferente velosidat. Den e tèstnan di e tùnel di bientu, e kantidat di eroshon a wòrdu determiná na diferente velosidat di bientu, i despues e velosidat di kibramentu di drempel pa kada ehemplar di tratamentu a wòrdu determiná usando un gráfiko di kantidat di eroshon kontra velosidat di bientu. Ademas di e tèstnan di eroshon di bientu, e ehemplarnan tratá a wòrdu sometí na bombardeo di santu (p.e., eksperimentonan di bula). Dos ehemplar adishonal a wòrdu prepará pa e propósito aki na tarifanan di aplikashon di 2 i 3 L m−2. E tèst di bombardeo di santu a dura 15 min ku un fluho di 120 gm−1, ku ta den e rango di balornan selektá den estudionan anterior60,61,62. E distansia horizontal entre e botter abrasivo i e base di e duna tabata 800 mm, situá 100 mm riba e fondo di e tùnel. E posishon aki a wòrdu poné di tal manera ku kasi tur e partikulonan di santu ku tabata bula a kai riba e duna.
E tèst di e tùnel di bientu a wòrdu kondusí den un tùnel di bientu habrí ku un largura di 8 m, un hanchura di 0.4 m i un haltura di 1 m (Figura 4a). E tùnel di bientu ta trahá di plachinan di staal galvanisá i por generá un velosidat di bientu di te ku 25 m/s. Ademas, un konvertidó di frekuensha ta wòrdu usá pa ahusta e frekuensha di e fanátiko i gradualmente oumentá e frekuensha pa optené e velosidat di bientu meta. Figura 4b ta mustra e diagram skemátiko di e duinen di santu eroshoná pa bientu i e profil di velosidat di bientu midi den e tùnel di bientu.
Finalmente, pa kompará e resultadonan di e formulashon di MICP no-urealítiko proponé den e estudio aki ku e resultadonan di e tèst di kòntròl di MICP urealítiko, muestranan di duna tambe a wòrdu prepará i tratá ku un solushon biológiko ku ta kontené urea, klorido di kalsio i Sporosarcina pasteurii (ya ku Sporosarcina pasteurii tin un abilidat signifikante pa produsí urease63). E densidat optiko di e solushon bakterial tabata 1.5, i e konsentrashonnan di urea i kloruro di kalsio tabata 1 M (selektá a base di e balornan rekomendá den estudionan anterior36,64,65). E medio di kultura tabata konsistí di brou di nutriente (8 g/L) i urea (20 g/L). E solushon bakterial a wòrdu spuit riba e superfisie di e duna i laga pa 24 ora pa e bakteria pega. Despues di 24 ora di atachamentu, un solushon di semento (kloruro di kalsio i urea) a wòrdu spuit. E tèst di kòntròl di MICP urealítiko ta wòrdu referí na dje despues komo UMC. E kontenido di karbonato di kalsio di muestranan di tera tratá urealítikamente i no-urealítikamente a wòrdu optené dor di laba segun e prosedura proponé pa Choi et al.66
Figura 5 ta mustra e kurvanan di kresementu di Bacillus amyloliquefaciens i Bacillus subtilis den e medio di kultura (solushon di nutriente) ku un rango di pH inisial di 5 pa 10. Manera ta mustra den e figura, Bacillus amyloliquefaciens i Bacillus subtilis a krese mas lihé na pH 6-8 i 7-9, respektivamente. P’esei, e rango di pH aki a wòrdu adoptá den e fase di optimalisashon.
Kurvanan di kresementu di (a) Bacillus amyloliquefaciens i (b) Bacillus subtilis na diferente balornan di pH inisial di e medio nutritivo.
Figura 6 ta mustra e kantidat di dióksido di karbon produsí den e Bernard limemeter, ku ta representá karbonato di kalsio presipitá (CaCO3). Komo ku un faktor tabata fiho den kada kombinashon i e otro faktornan tabata variá, kada punto riba e grafikonan aki ta korespondé na e volúmen máksimo di dióksido di karbon den e sèt di eksperimentonan ei. Manera ta mustra den e figura, segun ku e konsentrashon di fuente di kalsio a oumentá, e produkshon di karbonato di kalsio a oumentá. P’esei, e konsentrashon di e fuente di kalsio ta afektá direktamente e produkshon di karbonato di kalsio. Komo ku e fuente di kalsio i e fuente di karbon ta meskos (p.e., formato di kalsio i asetato di kalsio), mas ion di kalsio ta wòrdu liberá, mas karbonato di kalsio ta wòrdu formá (Figura 6a). Den e formulashonnan AS i AA, produkshon di karbonato di kalsio a sigui oumentá ku oumento di tempu di kura te ora ku e kantidat di presipitashon tabata kasi sin kambio despues di 9 dia. Den e formulashon di FA, e tasa di formashon di karbonato di kalsio a baha ora e tempu di kura a surpasá 6 dia. Kompará ku otro formulashonnan, formulashon FS a mustra un tasa di formashon di karbonato di kalsio relativamente abou despues di 3 dia (Figura 6b). Den formulashonnan FA i FS, 70% i 87% di e produkshon total di karbonato di kalsio a wòrdu optené despues di tres dia, miéntras ku den formulashonnan AA i AS, e proporshon aki tabata solamente mas o ménos 46% i 45%, respektivamente. Esaki ta indiká ku e formulashon basá riba asido fórmiko tin un tasa di formashon di CaCO3 mas haltu na e fase inisial kompará ku e formulashon basá riba asetat. Sinembargo, e tasa di formashon ta baha ku oumento di tempu di kura. Por konkluí for di Figura 6c ku asta na konsentrashonnan bakterial riba OD1, no tin kontribushon signifikante na formashon di karbonato di kalsio.
Kambio den volúmen di CO2 (i kontenido di CaCO3 korespondiente) midi pa e kalsimeter di Bernard komo un funshon di (a) konsentrashon di fuente di kalsio, (b) tempu di setting, (c) OD, (d) pH inisial, (e) relashon di fuente di kalsio pa solushon bakterial (pa kada formulashon); i (f) kantidat máksimo di karbonato di kalsio produsí pa kada kombinashon di fuente di kalsio i bakteria.
Pa loke ta trata e efekto di e pH inisial di e medio, Figura 6d ta mustra ku pa FA i FS, e produkshon di CaCO3 a alkansá un balor máksimo na pH 7. E opservashon aki ta konsistente ku estudionan anterior ku e enzimanan FDH ta mas stabil na pH 7-6.7. Sinembargo, pa AA i AS, e presipitashon di CaCO3 a oumentá ora e pH a surpasá 7. Estudionan anterior tambe a mustra ku e rango di pH optimal pa aktividat di e enzima di CoA ta di 8 pa 9.2-6.8. Konsiderando ku e rangonan di pH optimal pa aktividat di e enzima CoA i kresementu di B. amyloliquefaciens ta (8-9.2) i (6-8), respektivamente (Figura 5a), e pH optimal di formulashon di AA ta ser sperá di ta 8, i e dos rangonan di pH ta overlap. E echo aki a wòrdu konfirmá pa eksperimentonan, manera ta mustra den Figura 6d. Komo ku e pH optimal pa kresementu di B. subtilis ta 7-9 (Figura 5b) i e pH optimal pa aktividat di e enzima di CoA ta 8-9.2, ta antisipá ku e rendimentu máksimo di presipitashon di CaCO3 ta den e rango di pH di 8-9, loke ta wòrdu konfirmá pa Figura 6d (es desir, e pH optimal ta 99). E resultadonan mustra den Figura 6e ta indiká ku e relashon optimal di solushon di fuente di kalsio pa solushon di bakteria ta 1 pa tantu solushonnan di asetat komo formato. Pa komparashon, e rendimentu di diferente formulashon (p.e., AA, AS, FA, i FS) a wòrdu evaluá a base di e produkshon máksimo di CaCO3 bou di diferente kondishon (p.e., konsentrashon di fuente di kalsio, tempu di kura, OD, relashon di fuente di kalsio pa solushon bakterial, i pH inisial). Entre e formulashonnan studia, formulashon FS tabatin e produkshon di CaCO3 mas haltu, ku tabata aproksimadamente tres biaha esun di formulashon AA (Figura 6f). Kuater eksperimento di kòntròl liber di bakteria a wòrdu kondusí pa tur dos fuente di kalsio i no a opservá presipitashon di CaCO3 despues di 30 dia.
E imágennan di mikroskopia optiko di tur e formulashonnan a mustra ku vaterite tabata e fase prinsipal den kua karbonato di kalsio a wòrdu formá (Figura 7). E kristalnan di vaterita tabata sfériko den forma69,70,71. A haña ku karbonato di kalsio a presipitá riba e sèlnan bakterial pasobra e superfisie di e sèlnan bakterial tabata kargá negativamente i por a fungi komo un adsorbente pa kationnan divalente. Tumando formulashon FS komo un ehèmpel den e estudio aki, despues di 24 ora, karbonato di kalsio a kuminsá forma riba algun sèl bakterial (Figura 7a), i despues di 48 ora, e kantidat di sèlnan bakterial kubri ku karbonato di kalsio a oumentá signifikantemente. Ademas, manera ta mustra den Figura 7b, partikulonan di vaterite tambe por a wòrdu detektá. Finalmente, despues di 72 ora, un kantidat grandi di bakteria tabata parse di ta mará na e kristalnan di vaterite, i e kantidat di partikulonan di vaterite a oumentá signifikantemente (Figura 7c).
Observashonnan di mikroskopia optiko di presipitashon di CaCO3 den komposishonnan di FS durante tempu: (a) 24, (b) 48 i (c) 72 ora.
Pa investigá mas aleu e morfologia di e fase presipitá, a realisá difrakshon di rayonan X (XRD) i analisisnan di SEM di e polvonan. E spektronan XRD (Fig. 8a) i mikrografonan SEM (Fig. 8b, c) a konfirmá e presensia di kristalnan di vaterite, ya ku nan tabatin un forma manera di lechuga i un korespondensia entre e piknan di vaterite i e piknan di presipitashon a wòrdu opservá.
(a) Komparashon di spektronan di difrakshon di rayo X di CaCO3 i vaterite formá. Mikrografianan SEM di vaterite na (b) 1 kHz i (c) 5.27 kHz di magnifikashon, respektivamente.
E resultadonan di e tèstnan di e tùnel di bientu ta mustra den Figura 9a, b. Por mira for di Figura 9a ku e velosidat di eroshon di drempel (TDV) di e santu no tratá ta mas o ménos 4.32 m/s. Na e tasa di aplikashon di 1 l/m2 (Figura 9a), e slopenan di e liñanan di tasa di pèrdida di tera pa frakshonnan FA, FS, AA i UMC ta aproksimadamente meskos ku pa e duna no tratá. Esaki ta indiká ku e tratamentu na e tasa di aplikashon aki ta inefektivo i asina ku e velosidat di bientu surpasá e TDV, e kapa di tera fini ta disparsé i e tasa di eroshon di duna ta meskos ku pa e duna no tratá. E slope di eroshon di frakshon AS tambe ta mas abou ku esun di e otro frakshonnan ku absisanan mas abou (p.e. TDV) (Figura 9a). E flechanan den Figura 9b ta indiká ku na e velosidat máksimo di bientu di 25 m/s, no a tuma lugá eroshon den e dunanan tratá na e tarifanan di aplikashon di 2 i 3 l/m2. Ku otro palabra, pa FS, FA, AS i UMC, e duinennan tabata mas resistente na eroshon di bientu kousa pa deposishon di CaCO3 na e tarifanan di aplikashon di 2 i 3 l/m2 ku na e velosidat máksimo di bientu (es desir 25 m/s). Pues, e balor di TDV di 25 m/s optené den e tèstnan aki ta e límite mas abou pa e tarifanan di aplikashon mustra den Figura 9b, ku eksepshon di e kaso di AA, kaminda e TDV ta kasi igual na e velosidat máksimo di e tùnel di bientu.
Prueba di eroshon di bientu (a) Pèrdida di peso kontra velosidat di bientu (tasa di aplikashon 1 l/m2), (b) Velosidat di scheurmentu di drempel kontra tasa di aplikashon i formulashon (CA pa asetato di kalsio, CF pa formato di kalsio).
Figura 10 ta mustra e eroshon di superfisie di duna di santu tratá ku diferente formulashon i tasa di aplikashon despues di e tèst di bombardeo di santu i e resultadonan kuantioso ta wòrdu mustra den Figura 11. E kaso no tratá no ta wòrdu mustra pasobra e no a mustra resistensia i tabata kompletamente eroshoná (pèrdida di masa total) durante e tèst di bombardeo di santu. Ta kla for di Figura 11 ku e muestra tratá ku biokomposishon AA a pèrdè 83.5% di su peso na e tasa di aplikashon di 2 l/m2 miéntras ku tur otro muestra a mustra ménos ku 30% di eroshon durante e proseso di bombardeo di santu. Ora e tasa di aplikashon a wòrdu oumentá na 3 l/m2, tur e muestranan tratá a pèrdè ménos ku 25% di nan peso. Na tur dos tasa di aplikashon, e komposishon FS a mustra e mihó resistensia na bombardeo di santu. E resistensia di bombardeo máksimo i mínimo den e muestranan tratá ku FS i AA por wòrdu atribuí na nan presipitashon máksimo i mínimo di CaCO3 (Figura 6f).
Resultadonan di bombardeo di duna di santu di diferente komposishon na fluho di 2 i 3 l/m2 (flechanan ta indiká direkshon di bientu, krusnan ta indiká direkshon di bientu perpendikular na e plano di e dibuho).
Manera ta mustra den Figura 12, e kontenido di karbonato di kalsio di tur e fórmulanan a oumentá segun ku e tasa di aplikashon a oumentá di 1 L/m2 pa 3 L/m2. Ademas, na tur e tarifanan di aplikashon, e fórmula ku e kontenido di karbonato di kalsio mas haltu tabata FS, sigui pa FA i UMC. Esaki ta sugerí ku e fórmulanan aki por tin un resistensia di superfisie mas haltu.
Figura 13a ta mustra e kambio den resistensia di superfisie di muestranan di tera no tratá, di kòntròl i tratá midi pa tèst di permeameter. For di e figura aki, ta evidente ku e resistensia di superfisie di formulashonnan UMC, AS, FA i FS a oumentá signifikantemente ku e oumento di e tasa di aplikashon. Sinembargo, e oumento den forsa di superfisie tabata relativamente chikitu den formulashon di AA. Manera ta mustra den e figura, formulashonnan di FA i FS di MICP no-degradá pa urea tin mihó permeabilidat di superfisie kompará ku MICP degradá pa urea. Figura 13b ta mustra e kambio den TDV ku resistensia di superfisie di tera. For di e figura aki, ta kla bisto ku pa duinen ku resistensia di superfisie mas grandi ku 100 kPa, e velosidat di kitamentu di drempel lo surpasá 25 m/s. Komo ku resistensia di superfisie in situ por wòrdu midi fásilmente pa medio di permeameter, e konosementu aki por yuda kalkulá TDV den ousensia di prueba di tùnel di bientu, sirbiendo asina komo un indikadó di kòntròl di kalidat pa aplikashonnan riba tereno.
E resultadonan di SEM ta wòrdu mustra den Figura 14. Figuranan 14a-b ta mustra e partikulonan engrandesé di e muestra di tera no tratá, loke ta indiká klaramente ku e ta kohesivo i no tin ningun pegamentu òf sementashon natural. Figura 14c ta mustra e mikrografo SEM di e muestra di kòntròl tratá ku MICP degradá ku urea. E imágen aki ta mustra e presensia di presipitashonnan di CaCO3 komo polimorfonan di kalsita. Manera ta mustra den Figuranan 14d-o, e CaCO3 presipitá ta mara e partikulonan huntu; kristalnan di vaterite sfériko tambe por wòrdu identifiká den e mikrografnan di SEM. E resultadonan di e estudio aki i estudionan anterior ta indiká ku e vínkulonan di CaCO3 formá komo polimorfonan di vaterite tambe por proveé ​​un forsa mekaniko rasonabel; nos resultadonan ta mustra ku e resistensia di superfisie ta oumentá te na 350 kPa i e velosidat di separashon di drempel ta oumentá di 4.32 pa mas ku 25 m/s. E resultado aki ta konsistente ku e resultadonan di estudionan anterior ku e matris di CaCO3 presipitá pa MICP ta vaterite, ku tin un forsa mekaniko rasonabel i resistensia na eroshon di bientu13,40 i por mantené resistensia rasonabel na eroshon di bientu asta despues di 180 dia di eksposishon na kondishonnan ambiental di tereno13.
(a, b) Mikrografianan di SEM di tera no tratá, (c) kontrol di degradashon di urea MICP, (df) muestranan tratá ku AA, (gi) muestranan tratá ku AS, (jl) muestranan tratá ku FA, i (mo) muestranan tratá ku FS na un tasa di aplikashon di 3 L/m2 na diferente magnifikashon.
Figura 14d-f ta mustra ku despues di tratamentu ku kompositonan AA, karbonato di kalsio a keda presipitá riba e superfisie i entre e grano di santu, miéntras ku algun grano di santu sin kapa tambe a wòrdu opservá. Pa komponentenan di AS, ounke e kantidat di CaCO3 formá no a oumentá signifikantemente (Fig. 6f), e kantidat di kontakto entre grano di santu kousa pa CaCO3 a oumentá signifikantemente kompará ku kompositonan AA (Fig. 14g-i).
For di Figuranan 14j-l i 14m-o ta kla ku e uso di formato di kalsio komo fuente di kalsio ta kondusí na un oumento mas aleu den presipitashon di CaCO3 kompará ku e komponente AS, ku ta konsistente ku e midimentunan di meter di kalsio den Figura 6f. E CaCO3 adishonal aki ta parse di ta depositá prinsipalmente riba e partikulonan di santu i no nesesariamente ta mehorá e kalidat di kontakto. Esaki ta konfirmá e komportashon opservá anteriormente: apesar di e diferensianan den e kantidat di presipitashon di CaCO3 (Figura 6f), e tres formulashonnan (AS, FA i FS) no ta diferensiá signifikantemente pa loke ta trata rendimentu anti-eoliano (bientu) (Figura 11) i resistensia di superfisie (Figura 13a).
Pa por visualisá mihó e sèlnan bakterial ku ta kubri ku CaCO3 i e impreshon bakterial riba e kristalnan presipitá, a tuma mikrografonan SEM di magnifikashon haltu i e resultadonan ta wòrdu mustra den Figura 15. Manera ta mustra, karbonato di kalsio ta presipitá riba e sèlnan bakterial i ta proveé ​​e núkleonan nesesario pa e presipitashon einan. E figura tambe ta deskribí e vínkulonan aktivo i inaktivo indusí pa CaCO3. Por konkluí ku kualke oumento den lasonan inaktivo no nesesariamente ta kondusí na mas mehorashon den komportashon mekaniko. P’esei, oumento di presipitashon di CaCO3 no nesesariamente ta kondusí na un forsa mekaniko mas haltu i e patronchi di presipitashon ta hunga un ròl importante. E punto aki tambe a wòrdu studia den e obranan di Terzis i Laloui72 i Soghi i Al-Kabani45,73. Pa sigui eksplorá e relashon entre e patronchi di presipitashon i forsa mekaniko, ta rekomendá estudionan di MICP usando imágen di μCT, loke ta fuera di e alkanse di e estudio aki (es desir, introdusí diferente kombinashon di fuente di kalsio i bakteria pa MICP liber di amonia).
CaCO3 a indusí lasonan aktivo i inaktivo den muestranan tratá ku (a) komposishon di AS i (b) komposishon di FS i a laga un impreshon di celnan bakterial riba e sedimento.
Manera ta mustra den Figuranan 14j-o i 15b, tin un pelíkula di CaCO (segun analisis di EDX, e komposishon di porsentahe di kada elemento den e pelíkula ta karbon 11%, oksígeno 46.62% i kalsio 42.39%, ku ta hopi serka di e porsentahe di CaCO den Figura 16). E pelíkula aki ta kubri e kristalnan di vaterite i partikulonan di tera, yudando pa mantené e integridat di e sistema di tera-sedimento. E presensia di e pelíkula aki a wòrdu opservá solamente den e muestranan tratá ku e formulashon basá riba formato.
Tabel 2 ta kompará e forsa di superfisie, velosidat di destakamentu di drempel, i kontenido di CaCO3 bioindusí di suelonan tratá ku trayektonan MICP ku ta degradá urea i no-degradá urea den estudionan anterior i e estudio aki. Estudionan riba e resistensia di eroshon di bientu di muestranan di duna tratá ku MICP ta limitá. Meng et al. a investigá e resistensia di eroshon di bientu di muestranan di duna ku ta degradá urea tratá ku MICP usando un blower di blachi,13 miéntras ku den e estudio aki, muestranan di duna ku no ta degradá urea (i tambe kontrolnan ku ta degradá urea) a wòrdu tèst den un tùnel di bientu i tratá ku kuater diferente kombinashon di bakteria i supstansia.
Manera por mira, algun estudio anterior a konsiderá tarifanan haltu di aplikashon ku ta surpasá 4 L/m213,41,74. Ta bon pa menshoná ku e tarifanan haltu di aplikashon kisas no ta fásilmente aplikabel den e tereno for di un punto di bista ekonómiko debí na e gastunan asosiá ku suministro di awa, transporte i aplikashon di volúmennan grandi di awa. Tarifanan di aplikashon mas abou manera 1.62-2 L/m2 tambe a logra forsanan di superfisie basta bon di te ku 190 kPa i TDV ku ta surpasá 25 m/s. Den e estudio presente, duinen tratá ku MICP basá riba formato sin degradashon di urea a logra forsanan haltu di superfisie ku tabata komparábel ku esnan optené ku e trayekto di degradashon di urea den e mesun rango di tarifanan di aplikashon (es desir, muestranan tratá ku MICP basá riba formato sin degradashon di urea tambe por a logra e mesun rango di balornan di forsa di superfisie manera raportá pa Mestreng et al. 13, Figura 13a) na tarifanan di aplikashon mas haltu. Tambe por mira ku na e tasa di aplikashon di 2 L/m2, e rendimentu di karbonato di kalsio pa mitigashon di eroshon di bientu na un velosidat di bientu di 25 m/s tabata 2.25% pa e MICP basá riba formato sin degradashon di urea, ku ta hopi serka di e kantidat nesesario di CaCO3 (p.e. 2.41%) kompará ku dunanan tratá ku MICP di kòntròl na e mesun degradashon di urea tasa di aplikashon i e mesun velosidat di bientu (25 m/s).
Pues, por konkluí for di e tabel aki ku tantu e trayekto di degradashon di urea komo e trayekto di degradashon sin urea por proveé ​​un rendimentu bastante aseptabel pa loke ta trata resistensia di superfisie i TDV. E diferensia prinsipal ta ku e trayekto di degradashon sin urea no ta kontené amoniako i p’esei tin un impakto ambiental mas abou. Ademas, e método MICP basá riba formato sin degradashon di urea proponé den e estudio aki ta parse di ta funshoná mihó ku e método MICP basá riba asetat sin degradashon di urea. Aunke Mohebbi et al. a studia e método MICP basá riba asetat sin degradashon di urea, nan estudio a inkluí muestranan riba superfisie plat9. Debí na e grado mas haltu di eroshon kousa pa formashon di eddy rònt di e muestranan di duna i e shear resultante, ku ta resultá den TDV mas abou, ta antisipá ku e eroshon di bientu di e muestranan di duna ta mas opvio ku esun di superfisienan plat na e mesun velosidat.